金刚石的晶体生长奥秘

金刚石的晶体生长奥秘

　　晶体形成的过程就是物质从其它相转变为结晶相的过程。也就是原来的非晶物质在一定的物理化学条件下(温度、压力和组分浓度等)转变为结晶物质的过程。晶体形成的方式主要有:

　　一种气体处于它的过饱和蒸汽压或过冷却温度条件下，直接由气相转变为晶体。生活中最典型的例子是冰花，冬季玻璃窗上的冰花就是由空气中的水蒸气直接结晶的结果。  

02由液体(溶液或熔融体)中结晶

03由固相转变为晶体

这种相变亦可有两种方式：

因为与结晶相比，非晶质体具有较大的自由能，所以它可以自发地向自由能较小的晶质体转变。如石墨制品有非晶质的焦炭，沥青等经过高温作用形成石墨晶体。

这种相变，即通常所谓的同质多象转变。例如人造金刚石，通常是由石墨在高温和极大的压力下转变而成的。 

但在实际生长过程中，由于生长时的外界环境总是或多或少的偏离理想条件，面网在生长时就不可能严格地逐层平行向外推移，而往往是按格子构造聚合而成的质点基团成团的粘附到晶核（芽）上去，值得注意的是，这些质点基团和晶核（芽）之间，质点基团与质点基团之间，并不是按照格子构造规律严格地互相平行的，经常存在着很微小的角度偏差，有时甚至造成晶体结构上的某些缺陷。除此之外，就是随着晶体的长大，溶质供应的不均匀性会逐渐明显，相对来说，角顶处接受溶质的机会最多，晶棱附近次之，晶面中心则最小，因而质点将优先在角顶和晶棱附近堆积。

而对于由一种晶体转化成另一种晶体的机理，我们以石墨转化成金刚石为例，人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制，我们不能直观的了解其变化过程，所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的，并且有很多种说法，其中最主要的理论模型包括两类：一类是不破键观点（无扩散，直接转变观点），包括固相转化说和结构转化说；另一类是破键观点（溶解、扩散观点），包括溶剂说、催化剂说、溶剂一催化剂说等。

　　破键观点认为，石墨化学键先经破裂，然后重建为金刚石键，经过了一个由碳原子键打开到重新组合成新键的过程。这在结晶化学中称为重建性转变。实现这种转变往往需要提供较多的能量。在这一过程中，包含碳原子的溶解、扩散和再结晶等几个步骤，一般可以认为是固一液一固转变，遵循上面讲的从液相中结晶的一般规律。例如晶体随时间延长而长大，表面有生长台阶、生长螺旋。

　　现就目前比较热门的大颗粒金刚石的合成机理从溶剂说的机理加以解释：

金刚石结晶的动力是溶液中金刚石的过饱和度，结晶形态和晶体的形成与长大，都与过饱和度直接相关。过饱和度大小取决于在具体P、T条件下石墨与金刚石溶解度之差，造成过饱和的原因是石墨与金刚石在热力学上的势差——化学位之差。在一定温度范围内金刚石比石墨稳定，因而石墨较容易溶解，即石墨溶解度比金刚石大。这一理论的有力证据是人造金刚石表面的形态和缺陷，比如在金刚石的（ 111）面发现生长台阶和螺旋线。  

晶种法合成大颗粒金刚石的示意图

图中可看到明显的生长台阶